中華民國九十七年二月二十三日

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再談『柱圍束箍筋綁紮方式之安全性探討』

陳正平　技師

筆者曾於技師報第412期撰文討論現行『結構混凝土設計規範』對於繫筋二端之彎鉤，未鉤住橫箍筋，而僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式對房屋結構柱所產生之安全疑慮。近日從台大張國鎮及交大翁正強二位教授對中尺寸之柱(60cm×60cm)的研究成果顯示，依現行規範之規定所綁紮鋼筋之「繫筋鉤住柱主筋之橫箍RC柱受軸壓之應力-應變曲線」，亦發現筆者之疑慮確有存在〔1~3〕。柱構材在建築結構系統中扮演極為重要之角色，除須承載結構體之軸向載重外，亦須負責承受各種水平剪力及彎矩，故柱構材中橫向鋼筋之綁紮方式是否能確實發揮圍束效果，對結構體之安全性及穩定性影響至鉅。現行規範柱繫筋二端之彎鉤，僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式之主要安全疑慮如下：

(1)由於繫筋並未鉤住箍筋，致箍筋在轉角間之全段橫箍筋均無側撐，而箍筋本身一般均為小號數之鋼筋，其勁度較低，若柱之橫向尺度較大，則箍筋幾乎無法承受柱核心受壓所產生之向外爆開之力量，所有向外爆開之力量將僅有少部分會由立面拱架行為(圖一(c))向上、下傳至箍筋，而大部份會經由平面拱架行為(圖一(b))向左、右傳至柱之縱向主鋼筋的側面承受，再向上、下傳至箍筋或繫筋。因此，此種繫筋綁紮方式會產生以下安全疑慮：(a)縱向柱主筋承受較大之混凝土向外爆開力量，會增加縱向主筋產生向外挫屈之可能性。(b)因為規範所規定之柱橫向箍筋量，其強度僅夠彌補混凝土保護層剝落時之強度損失，其橫向箍筋量之計算式原本就未計入由於縱向主鋼筋受軸壓及側壓所產生之向外挫屈力(此點規範亦有改進的空間)，縱向主筋向外挫屈力會導致箍筋或繫筋承受額外之張力。(c)因為箍筋無橫向支撐，因此無法充分發揮圍束混凝土之功能。

圖一　有效圍束面積模式(Sheikh)〔3〕　 

(2)因為規範規定「在柱構材橫斷面周圍上之柱主鋼筋，其無橫向支撐者至有橫向支撐者之淨距不得大於15公分」，以及「繫筋或閉合箍筋相鄰各肢之中心距不得超過35cm」等規定；亦即容許柱主筋隔根才提供側撐即可，但因箍筋在轉角間之全段橫箍筋均無繫筋提供側撐，因此此項規定對較大尺寸之柱或扁柱之長邊，當混凝土保護層受壓爆開後，柱主筋中無繫筋提供橫向支撐者，其從柱頂至柱底全段均幾乎無側撐，此種現象將造成幾近半數之柱主筋，其無支撐長度太長，且均位於圖一(b)之有效圍束區之外，因此會產生提前挫屈而無法承受軸壓力，尤其是柱主筋搭接段將因失去圍束而致搭接失效，此種情況尤其是當混凝土保護層剝落後之情形更為嚴重。縱向主筋向外挫屈力亦會導致箍筋或繫筋承受額外之張力。

(3)由於繫筋二端之彎鉤，未鉤住橫箍筋，而僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式，其外周橫箍筋僅四個轉角處之圍束效果較為明確外，其餘中間段箍筋受側壓力後會有向外彎曲變形之現象，故幾乎無法發揮圍束之功能。如此不但增加柱主筋的負擔，亦因少掉橫箍筋的圍束效果，致柱核心之有效圍束面積相對較小(與規範箍筋數量計算公式之理論背景及計算方法不符)；亦即會影響柱斷面之承載能力。此種現象對方形柱之有效承壓面積之折減率較大(見圖一(b))。

(4)依「結構混凝土設計規範」第7.4.6節規定「牆之垂直鋼筋……未作抗壓鋼筋用者，則無需以橫箍筋圍封」。準此規定，未受繫筋鉤住之主筋已不得作為抗壓鋼筋用途。

另由文獻資料〔7〕顯示(見圖二)重叠箍筋(試體A1及A2)及繫筋二端之彎鉤(180^o)鉤住橫箍筋(試體B1及B2)試驗結果承壓強度及韌性均較佳；繫筋二端之彎鉤僅鉤住柱主筋(試體C1及C2)及無繫筋(試體D1及D2)試驗結果承壓強度雖與前者相當，但其延展韌性則明顯較差；其試驗結果符合筆者前述依力學原理之推論。對於較小尺寸之試體已有如此顯著之差異，並已足夠對現行規範之安全性提出質疑，近日更由台大張國鎮及交大翁正強二位教授對中尺寸之柱，依現行規範之規定所綁紮鋼筋之「繫筋鉤住柱主筋之橫箍RC柱受軸壓之應力-應變曲線」，由試驗結果顯示當載重達極限強度時，其後續強度呈急速下降之脆性行為(見圖三及圖四)。在工程實務上，柱尚有承載軸向載重，當載重達極限強度時，其後續破壞現象將會比試驗室之破壞行為更為快速、嚴重。此種無韌性之現象將導致使用者失去逃生之時機，與耐震設計規範「小震不壞，中震可修，大震不倒」之基本精神不符合。

圖二　混凝土柱箍筋圍束試體應力-應變試驗結果〔7〕

圖三 繫筋鉤住柱主筋之橫箍RC柱應力-應變曲線〔1、2張國鎮、王柄雄等〕

圖四 繫筋鉤住柱主筋之橫箍RC柱應力-應變曲線〔3尹衍樑、翁正強等〕 

現行規範規定，以繫筋二端之彎鉤，未鉤住橫箍筋，而僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式，目前仍存有甚大之爭議，但隨著台灣世曦工程顧問股份有限公司位於楊梅之材料試驗室6,000噸萬能試驗機及內政部建築研究所的3000噸萬能試驗機的裝置完成，相信很快即可得到更正確的答案。惟目前大量混凝土房屋結構正在興建中，若不盡速完成一系列大尺寸混凝土結構柱之實驗(尤其是一公尺以上方柱及扁柱之長邊)，萬一最後試驗結果證實現行規範以繫筋二端之彎鉤，鉤住縱向柱主筋之綁紮方式確為不理想之作法，其後果將不堪設想。

【參考文獻】

〔1〕張國鎮、尹衍樑、王瑞禎、王柄雄，(2005)，「螺旋箍筋於矩形柱應用之試驗研究」，工程，中國工程師學會，第七十八卷，第三期，pp.101~124，台北。

〔2〕王柄雄，(2004)，「新矩形混凝土柱圍束型式之研究」，碩士論文，國立台灣大學土木工程研究所，台北。

〔3〕尹衍樑、翁正強、王瑞楨、梁景裕、黃俊銘，(2007)，「組合式五螺箍應用於矩形SRC柱之試驗研發」，結構工程87期。

〔4〕 蔡益超，（1995）“柱箍筋設計”Q&A，，結構工程第十卷第一期，P.123。

〔5〕「結構混凝土設計規範」  (2002)，內政部91年6月27日台內營字第0910084633號頒佈。

〔6〕ACI (1988)“ Building Code　Requirements　for　Reinforced　Concrete　and　Commentary”(318-77)。

〔7〕Moehle, J. P., and Cavanagh, T.,(1985) "Confinement Effectiveness of Crossties in R/C,"Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 111, No. 10, October 1985, pp. 2105-2120 .